國(guó)產(chǎn)粉體流冷卻器在重質(zhì)純堿生產(chǎn)中的應(yīng)用

李鳳朝，陳 巖

（江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠，江蘇 淮安 223200）

江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠2011年2月建成投產(chǎn)，其一期設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)純堿30萬(wàn)t。其中重質(zhì)純堿年產(chǎn)能力達(dá)到20萬(wàn)t。通過(guò)填平補(bǔ)齊技術(shù)改造實(shí)施，目前裝置能力達(dá)到了45萬(wàn)t／a（輕質(zhì)純堿）。2012年通過(guò)技改新增了一套固相水合法重質(zhì)純堿生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)能力為20萬(wàn)t／a。

我廠利用此次新上一套重質(zhì)純堿系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，與北京廣廈公司共同研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一套重質(zhì)純堿粉體流冷卻器。本文通過(guò)與傳統(tǒng)流化床冷卻器相比較，對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)分析，同時(shí)對(duì)其在生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，確保了粉體流冷卻器在生產(chǎn)過(guò)程中能夠達(dá)到其自身設(shè)計(jì)能力、冷卻效果及長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 重質(zhì)純堿冷卻設(shè)備

早期純堿企業(yè)重質(zhì)純堿冷卻工序主要采用的是回轉(zhuǎn)式?jīng)鰤A爐，其設(shè)備的最大缺點(diǎn)是：體積龐大，換熱效率低，故障率高，爐內(nèi)換熱管易結(jié)疤，運(yùn)行周期短。

從上世紀(jì)90年代初期，純堿企業(yè)從德國(guó)引進(jìn)沸騰式干燥流化床。其特點(diǎn)是流化床末端帶冷卻段，干燥冷卻一次性完成。后來(lái)行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化研究開(kāi)發(fā)，目前完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化冷卻流化床裝置，并成為重質(zhì)純堿的主打裝置。但其最大的缺陷是動(dòng)力消耗大，能耗高，尾氣處理系統(tǒng)配套裝置占據(jù)裝置較大比例，噪音污染和尾氣排放仍不盡人意。

21世紀(jì)初，加拿大SOLEX公司粉體流冷卻器引入重灰生產(chǎn)過(guò)程，并取得成功。最早用于土耳其某純堿廠。2009年青海昆侖堿業(yè)首先引進(jìn)SOLEX公司粉體流裝置用于重質(zhì)純堿冷卻，應(yīng)用效果較好，得到了行業(yè)的認(rèn)可，并引起純堿行業(yè)的高度重視。

粉體流冷卻器具有運(yùn)行能耗低、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、設(shè)備占地面積小、環(huán)境友好、傳熱效率高、不影響產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。但目前該裝置主要還是依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，因此粉體流冷卻器自主研發(fā)勢(shì)在必行。

2 國(guó)產(chǎn)粉體流冷卻器的研發(fā)

淮安堿廠利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的機(jī)會(huì)與北京廣廈環(huán)能科技有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了第一套豎板間壁式粉體流換熱器，并在淮安堿廠20萬(wàn)t／a重質(zhì)純堿生產(chǎn)裝置中成功應(yīng)用。

3 粉體流冷卻器與流化床冷卻器的比較

3.1 工藝流程對(duì)比

3.1.1 重質(zhì)純堿流化床冷卻工藝流程

在流化床重質(zhì)純堿冷卻工藝中，重質(zhì)純堿通過(guò)斗提進(jìn)入流化床。重質(zhì)純堿進(jìn)入流化床內(nèi)需要的動(dòng)力由鼓風(fēng)機(jī)提供，重質(zhì)純堿和鼓入的冷風(fēng)直接接觸，呈流化狀態(tài)，同時(shí)和流化床內(nèi)的列管換熱器內(nèi)的冷卻水接觸，迅速冷卻，而后通過(guò)卸料閥進(jìn)入重質(zhì)純堿運(yùn)堿系統(tǒng)。流化床鼓入的尾氣經(jīng)過(guò)引風(fēng)進(jìn)入旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器除塵后，由引風(fēng)機(jī)排入大氣，如圖1所示。

圖1 重質(zhì)純堿流化床冷卻工藝流程

3.1.2 重質(zhì)純堿粉體流冷卻工藝流程

重質(zhì)純堿通過(guò)振動(dòng)篩后進(jìn)入粉體流冷卻器中，而后通過(guò)自身重力自上而下緩慢下降，與換熱板內(nèi)的軟水進(jìn)行換熱，傳熱板組下部安裝有可調(diào)頻率的振動(dòng)式下料器，通過(guò)進(jìn)料倉(cāng)料位的反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)出料速率。重質(zhì)純堿以均勻的速度通過(guò)該裝置的整個(gè)斷面，利用密相輸送技術(shù)提供柔緩的下料工藝，使最終產(chǎn)品顆粒的均一性品質(zhì)得以保障，如圖2所示。

3.2 兩種冷卻設(shè)備的比較

圖2 重質(zhì)純堿粉體流冷卻器工藝流程

3.2.1 運(yùn)行能耗

粉體流冷卻器所需動(dòng)力裝置僅僅是下料需求的振打電機(jī)，運(yùn)行能耗相較于流化床冷卻設(shè)備大功率電力裝置幾乎可以忽略不計(jì)。流化床冷卻與粉體流冷卻正常運(yùn)行時(shí)的能耗分別是8.96kWh／t、0.009kWh／t。

3.2.2 環(huán)境污染

環(huán)境污染主要包括粉塵污染和現(xiàn)場(chǎng)噪音污染。由于粉體流冷卻器無(wú)需進(jìn)氣及排氣處理單元，并沒(méi)有空氣與待冷卻的重質(zhì)純堿直接接觸。因此消除了傳統(tǒng)冷卻工藝風(fēng)冷所帶出的粉塵對(duì)環(huán)境污染的可能；而流化床冷卻器由于有風(fēng)冷部分，導(dǎo)致需要不停的向外排放帶有一定熱氣的符合環(huán)保要求的粉塵，同時(shí)出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境衛(wèi)生。

粉體流冷卻器生產(chǎn)過(guò)程中只需兩個(gè)小的振動(dòng)式電機(jī)，并無(wú)其他任何運(yùn)行設(shè)備，而流化床冷卻器需要鼓風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，在運(yùn)行過(guò)程中噪音較大超出了環(huán)保要求90dB。分別測(cè)出運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備噪音：流化床冷卻器105dB，粉體流冷卻器70dB。

3.2.3 占地面積及安裝

同規(guī)模處理能力的流化床連帶配套除塵系統(tǒng)，底座約需20m2，而粉體流冷卻器設(shè)備緊湊，空間利用率高，其底座只需約3m2，現(xiàn)場(chǎng)安裝就位非常方便。同時(shí)粉體流冷卻器采用模塊型設(shè)計(jì)，如果將來(lái)需要增加冷卻量，只需要通過(guò)疊加板組即可做到。

3.2.4 產(chǎn)品質(zhì)量的影響

粉體流內(nèi)部重質(zhì)純堿緩慢而且可控的流動(dòng)確保產(chǎn)品的最佳質(zhì)量，密相輸送設(shè)計(jì)能有效的防止產(chǎn)品的磨損和分解，從根本上保證產(chǎn)品的顆粒性能和晶形不被破壞。但流化床系統(tǒng)卻無(wú)法保證，主要是因?yàn)橹刭|(zhì)純堿進(jìn)入流化床內(nèi)部后，必須經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)送入的冷風(fēng)大量的鼓動(dòng)才能確保物料呈現(xiàn)流化狀態(tài)，但粉體在空氣吹動(dòng)下形成強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，顆粒會(huì)因碰撞摩擦而破碎，降低產(chǎn)品品質(zhì)。流化床冷卻系統(tǒng)需要通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)將外部空氣鼓入系統(tǒng)，當(dāng)空氣內(nèi)含有灰塵或?yàn)V網(wǎng)含有灰塵時(shí)，對(duì)產(chǎn)品白度具有一定的影響；而粉體流冷卻器不存在這種影響。

3.2.5 換熱效率

流化床冷卻器內(nèi)部換熱部分為多層列管組成，由于工藝流程的影響，經(jīng)常出現(xiàn)大量堿疤卡主列管，導(dǎo)致?lián)Q熱死角較多，換熱效率低；而粉體流冷卻器換熱部分引用了板式換熱器的原理，重質(zhì)純堿走向與冷卻水逆向行走，使的換熱效率較高，基本沒(méi)有換熱死角，同時(shí)冷卻水從換熱板內(nèi)部逆流而上，在換熱板內(nèi)部形成高速湍流，傳熱板內(nèi)部難以出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。

從2013年5月14日20：00開(kāi)始對(duì)粉體流冷卻器進(jìn)行72小時(shí)考核驗(yàn)收測(cè)試。國(guó)產(chǎn)粉體流各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，其中出堿溫度平均值為61.29℃；料位控制指標(biāo)平均值為48.8%；裝置能力平均為24.5t／h。

選取實(shí)際運(yùn)行某個(gè)時(shí)間段數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)計(jì)算得出熱負(fù)荷Q值為2 959MJ／h，達(dá)到了國(guó)外進(jìn)口粉體流設(shè)計(jì)處理熱負(fù)荷值。

3.2.6 運(yùn)行平穩(wěn)性及維修量

粉體流冷卻器是靜設(shè)備，主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，設(shè)備可靠性高，幾乎沒(méi)有維修。相比較而言，流化床冷卻器需配置鼓風(fēng)、引風(fēng)、除塵系統(tǒng)，由于運(yùn)行設(shè)備損壞比較厲害，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不太穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)燒壞、絞龍開(kāi)焊、鏈板拉斷、氣封卡停等現(xiàn)象，日常檢修頻繁。

表1 重灰粉體流冷卻器生成過(guò)程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

4 粉體流冷卻器關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 防結(jié)疤技術(shù)

由于純堿易吸潮結(jié)塊結(jié)疤物理特性，純堿專用粉體流冷卻器在研發(fā)初始就考慮到換熱板表面結(jié)疤問(wèn)題。因此在設(shè)計(jì)粉體流時(shí)，設(shè)置了干燥空氣吹入管配置，從粉體流下部吹入，防止粉體流換熱板表面結(jié)疤。在控制過(guò)程中要求冷卻水進(jìn)水溫度與出料溫度溫差在10～15℃。

但在我廠實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，干燥壓縮空氣并沒(méi)有投入使用。進(jìn)水溫度受客觀條件影響，尤其是冬季，進(jìn)水溫度與出料溫差常常超過(guò)15℃。因此，運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)板片表面輕微結(jié)疤現(xiàn)象。（如圖3所示，線圈內(nèi)的即為表面很薄的一層疤），從而影響了傳熱板片的換熱效率。打開(kāi)粉體流側(cè)門(mén)檢查發(fā)現(xiàn)粉體流板片之間所結(jié)的堿疤并不是顆粒狀組成，而是很明顯的細(xì)粉粘結(jié)在一起。主要是重灰中的細(xì)粉在換熱板表面濕空氣凝結(jié)濕潤(rùn)后粘結(jié)所致。干燥后的重質(zhì)純堿盡管溫度較高，但與之平衡的空氣中仍然存在著飽和水蒸汽，隨著溫度的降低被冷凝。在粉體流換熱過(guò)程中，其換熱板表面溫度最低，因此飽和水蒸汽最易在換熱板表面凝結(jié)。一旦有水蒸汽凝結(jié)，重灰中的細(xì)粉便會(huì)粘結(jié)在換熱板表面，并最終形成結(jié)疤。見(jiàn)圖4。

圖3 換熱板表面很薄一層細(xì)粉結(jié)疤

解決的技術(shù)措施首先是及時(shí)移出含有水蒸汽的空氣。為此在粉體流頂部重新增加了一根DN300的呼吸管線，直接與運(yùn)堿系統(tǒng)的濕法除塵連接在一起，確保粉體流冷卻器進(jìn)料段呈負(fù)壓狀態(tài)，進(jìn)料過(guò)程中帶入的熱氣及時(shí)除去，保證了進(jìn)料段氣相區(qū)的干燥性；其次是盡量保證換熱板片不暴露在氣相區(qū)，避免含水分的空氣在換熱板表面凝結(jié)。其技術(shù)措施就是嚴(yán)格控制粉體流的料位，確保料位全部覆蓋換熱板，用重灰隔絕熱空氣。這是操作方面的技術(shù)，更是粉體流設(shè)計(jì)的料位控制技術(shù)。解決好這兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題，粉體流的結(jié)疤問(wèn)題可以有效解決，而通入干燥的壓縮空氣配置則可省略，以簡(jiǎn)化工藝。

圖4 暴露在含有水蒸汽的氣相中的板片

4.2 防堵技術(shù)

滿足粉體流冷卻器長(zhǎng)周期運(yùn)行必須采取防堵技術(shù)措施。粉體流冷卻器換熱板間距為25mm。由于重質(zhì)純堿中存在堿球、運(yùn)堿系統(tǒng)脫落的受潮堿塊等。一旦這些塊狀物進(jìn)入粉體流冷卻器，很容易造成搭橋捧料，堵塞換熱板間。因此在工藝流程的設(shè)置時(shí)，粉體流冷卻器之前需配置篩分裝置。我廠粉體流冷卻器配置了振動(dòng)篩。其作用有兩個(gè)：其一篩分塊狀堿球、堿塊，為防堵措施；其二篩分重灰中的細(xì)粉，以滿足客戶對(duì)重灰粒度質(zhì)量需求。

對(duì)于老系統(tǒng)改造新增安裝粉體流冷卻器時(shí)，需要充分考慮留有篩分裝置的位置。篩分裝置的能力須與粉體流冷卻器配套。相對(duì)于重灰流化床，粉體流冷卻器沒(méi)有風(fēng)選細(xì)粉功能，更要重視水合后一水堿的結(jié)晶質(zhì)量，以避免細(xì)粉超標(biāo)。如果單純篩分塊狀物防堵，最佳的配置應(yīng)該是氣旋篩。氣旋篩占據(jù)空間小，具有破碎堿球或受潮堿塊的功能，可直接安裝在粉體流冷卻器頂部，簡(jiǎn)化振動(dòng)篩篩分前后的流程。建議作為純堿專用粉體流冷卻器的配套裝置。

4.3 料位控制技術(shù)

粉體流料位控制是粉體流冷卻器的關(guān)鍵技術(shù)。由于粉體流動(dòng)特性受粉體粒度、表面摩擦力等影響存在很大的差異。因此粉體流冷卻器必須是根據(jù)物料的特性專門(mén)進(jìn)行試驗(yàn)和設(shè)計(jì)的非標(biāo)設(shè)備。其中出料控制是最重要的技術(shù)。對(duì)于不同純堿廠的重灰粒度分布及其他特性，粉體流的出料控制需經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)調(diào)試才能達(dá)到較理想的效果。其中出料器的柵板的設(shè)計(jì)、振動(dòng)源的配置、料位計(jì)的選用及自動(dòng)控制是粉體流研究者的主要研究課題。出料器柵板角度的設(shè)計(jì)，需充分考慮板壁、箱壁摩擦力對(duì)粉體流動(dòng)的影響，保證粉體流內(nèi)料面呈近乎平面下降，使得所有換熱板間的物料呈均量流動(dòng)及換熱。振動(dòng)裝置的配置，需滿足裝置彈性負(fù)荷的要求，尤其是低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)頻率能夠保證正常出料及料面的有效控制。

圖5 進(jìn)料部位堿塊及板片間積堿棒料現(xiàn)象

4.4 出堿溫度的控制

出堿溫度取決于換熱板的換熱效率、粉體流的出料控制、冷卻水的溫度控制等條件。由于對(duì)板片結(jié)疤原因分析的理解，對(duì)冷卻水的要求不再苛刻。重要的是出堿溫度與冷卻水量的自動(dòng)控制滿足生產(chǎn)需要。從表1可以看出冷卻后的平均溫度為68℃，出水溫度也是相對(duì)很穩(wěn)定，而同期作業(yè)的流化床出堿溫度為72℃。由此可見(jiàn)，粉體流冷卻器的效果優(yōu)于流化床。不僅是平均溫度，在溫度控制的穩(wěn)定性上，粉體流冷卻器也表現(xiàn)出更好的效果。

4.5 防止換熱板片焊接開(kāi)裂技術(shù)

粉體流換熱板片的焊接技術(shù)也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前國(guó)產(chǎn)粉體流換熱板片的焊接技術(shù)基本可滿足作業(yè)條件的要求。但在實(shí)際使用中出現(xiàn)過(guò)板片焊接點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂的位置均發(fā)生在換熱板片的上部，見(jiàn)圖6（畫(huà)圈部位即為焊接點(diǎn)開(kāi)裂后的水?。?。

分析此現(xiàn)象的發(fā)生，認(rèn)為主要是兩方面原因所致，一是板片的焊接技術(shù)問(wèn)題，二是生產(chǎn)操作問(wèn)題。板片的焊接均勻并且保證焊點(diǎn)處不因焊接時(shí)造成板片厚度變化，另外不會(huì)因焊接造成焊點(diǎn)處金相結(jié)構(gòu)發(fā)生物化性質(zhì)的改變。

操作上的原因主要是使用過(guò)程的熱脹冷縮力所致。正常作業(yè)狀態(tài)下，換熱板上部溫度超過(guò)160℃。如果突然停止粉體流下堿作業(yè)，而冷卻水沒(méi)有關(guān)閉，則會(huì)使得換熱板溫度急劇降低至40℃左右。約120℃的溫差造成的熱脹系數(shù)勢(shì)必會(huì)造成板片間的相對(duì)應(yīng)力。如果板間有堵料現(xiàn)象，則換熱板面各部位的溫差出現(xiàn)差異，造成受力不均。應(yīng)力集中的位置會(huì)出現(xiàn)焊接開(kāi)裂現(xiàn)象。從熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力集中分析，換熱板的安裝應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)淖杂啥?，以釋放熱脹冷縮造成的板片變形。在操作技術(shù)規(guī)程上，應(yīng)重視粉體流冷卻器開(kāi)停操作步驟。尤其是要重視粉體流冷卻器停用前的冷卻水的控制操作，避免換熱板片溫度急劇產(chǎn)生較大溫差的現(xiàn)象。

圖6 粉體流板片焊接點(diǎn)開(kāi)裂后的水印

如果在設(shè)備制作和操作使用上引起足夠重視，板片的焊接開(kāi)裂問(wèn)題完全可以解決。我廠在使用初期出現(xiàn)的板片開(kāi)裂漏水問(wèn)題，目前基本上不再出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

1）由江蘇井神鹽化股份有限公司淮安堿廠和北京廣廈環(huán)能科技有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的第一套豎壁式粉體流冷卻器屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在生產(chǎn)過(guò)程中其處理能力和換熱性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足生產(chǎn)狀況。

2）相比于傳統(tǒng)的流化床冷卻器，其在重質(zhì)純堿使用過(guò)程中具有運(yùn)行能耗低，無(wú)噪音污染和粉塵污染，模塊化設(shè)計(jì)，安裝便捷，占地面積小，保證原有產(chǎn)品質(zhì)量，換熱效率高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，幾乎不需維修等優(yōu)點(diǎn)。